Fizikas Nigelas Goldenfeldas nekenčia biologijos: „Bent jau ne tokiu pavidalu, kokio buvau išmokęs mokykloje“, - sako jis. „Tai buvo tarsi siaubingas faktų rinkinys. Tikslios kiekybinės analizės praktiškai nebuvo “. Toks požiūris gali nustebinti visus, kurie žvelgia į daugybę projektų, kurių metu dirba Goldenfeldo laboratorija.
Jis su kolegomis stebi kolektyvinį ir individualų bičių bičių elgesį, analizuoja bioplėveles, stebi genų šokinėjimą, vertina gyvybės formų įvairovę ekosistemose ir tiria mikrobiomų ryšį.
- „Salik.biz“
Goldenfeldas yra NASA Astrobiologijos bendrosios biologijos instituto vadovas, tačiau didžiąją laiko dalį praleidžia ne Ilinojaus universiteto fizikos skyriuje, o savo biologinėje laboratorijoje mieste Urbana-Champaign.
Nigelas Goldenfeldas nėra vienintelis fizikas, bandantis išspręsti biologijos problemas. Dešimtajame dešimtmetyje Maxas Delbrückas pakeitė virusų sąvoką. Vėliau Erwinas Schrödingeris išleido „Kas yra gyvenimas? Fizinis gyvosios ląstelės aspektas “. Rentgeno kristalografijos pradininkas Francisas Crickas padėjo atskleisti DNR struktūrą.
Goldenfeldas nori gauti naudos iš savo žinių apie kondensuotosios medžiagos teoriją. Studijuodamas šią teoriją, jis imituoja mėginio vystymąsi dinaminėje fizinėje sistemoje, kad būtų galima geriau suprasti įvairius reiškinius (turbulenciją, fazių perėjimus, geologinių uolienų ypatybes, finansų rinką).
Susidomėjimas kylančia materijos būsena fizikus privedė prie vienos didžiausių biologijos paslapčių - paties gyvybės kilmės. Būtent iš šios užduoties išsivystė dabartinė jo tyrimų šaka.
„Fizikai gali užduoti klausimus skirtingai“, - įsitikinęs Goldenfeldas. „Mano motyvacija visada buvo ieškoti biologijoje sričių, kuriose toks požiūris turėtų prasmę. Tačiau norint sulaukti pasisekimo, reikia dirbti su biologais ir iš tikrųjų tapti savimi. Fizika ir biologija yra vienodai reikalingi “.
Quanta kalbėjo su Goldenfeldu apie kolektyvinius fizikos reiškinius ir sintetinės evoliucijos teorijos išplėtimą. Jie taip pat aptarė kiekybinių ir teorinių fizikos priemonių naudojimą siekiant pakelti paslapties šydą, supantį ankstyvą gyvenimą Žemėje, ir melsvabakterių bei plėšriųjų virusų sąveiką. Toliau pateikiama šio pokalbio santrauka.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Fizika turi pagrindinę koncepcinę struktūrą, o biologija - ne. Ar bandote sukurti bendrą biologijos teoriją?
„Dieve, žinoma, ne. Biologijoje nėra vienos teorijos. Evoliucija yra artimiausias dalykas, kurį galite įnešti. Pati biologija yra evoliucijos rezultatas; gyvenimas, kurio įvairovė ir be išimčių, susiklostė kaip evoliucija. Norint suprasti biologiją, reikia iš tikrųjų suprasti evoliuciją kaip procesą.
Kaip kolektyvinis fizikos poveikis gali papildyti mūsų supratimą apie evoliuciją?
Galvodami apie evoliuciją, paprastai linkę galvoti apie populiacijos genetiką, apie genų pasikartojimą populiacijoje. Bet jei pažvelgsite į Paskutinį universalųjį protėvį (visų kitų organizmų protėvių organizmą, kurį galime atsekti per filogenetiką), suprasite, kad tai nėra pati gyvenimo pradžios pradžia.
Prieš tai tikrai buvo dar paprastesnė gyvybės forma - forma, kurioje net nebuvo genų, kai dar nebuvo rūšių. Mes žinome, kad evoliucija yra daug platesnis reiškinys nei gyventojų genetika.
Paskutinis universalus protėvis gyveno prieš 3,8 milijardo metų. Žemės planeta yra 4,6 milijardo metų. Pats gyvenimas nuo pat įkūrimo iki šiuolaikinės ląstelės sudėtingumo nukeliavo per mažiau nei milijardą metų. Tikriausiai dar greičiau: nuo to laiko ląstelės struktūros evoliucija įvyko palyginti nedaug. Pasirodo, per pastaruosius 3,5 milijardo metų evoliucija buvo lėta, bet pradžioje labai greita. Kodėl gyvenimas susiklostė taip greitai?
Karlas Woese (biofizikas, mirė 2012 m.) Ir aš tikėjau, kad iš pradžių vystymasis vyko kitaip. Mūsų laikais gyvenimas vystosi per „vertikalų“paveldėjimą: jūs perduodate savo genus savo vaikams, jie, savo ruožtu, savo vaikams ir pan. „Horizontalus“genų perkėlimas atliekamas tarp organizmų, kurie nėra sujungti vienas su kitu.
Dabar tai vyksta bakterijose ir kituose organizmuose, turinčiuose genus, kurie nėra labai svarbūs ląstelių struktūroje. Pavyzdžiui, genai, kurie suteikia atsparumą antibiotikams - jų dėka bakterijos taip greitai įgyja apsaugą nuo vaistų. Tačiau ankstyvaisiais gyvenimo etapais net pagrindinis ląstelės mechanizmas buvo perduodamas horizontaliai.
Anksčiau gyvenimas buvo kaupiamasis ir buvo labiau bendruomenė, glaudžiai susieta genų mainų, nei tik atskirų formų kolekcija. Yra daugybė kitų kolektyvinių valstybių pavyzdžių, tokių kaip bičių kolonija ar paukščių pulkas, kai kolektyvas, atrodo, turi savo asmenybę ir elgesį, atsirandantį dėl elementų ir būdų, kuriais jie sąveikauja. Ankstyvasis gyvenimas buvo perduodamas perduodant geną.
Kaip tu žinai?
Mes galime paaiškinti tokį greitą ir optimalų gyvenimo vystymąsi tik tuo atveju, jei leisime šio „ankstyvojo tinklo“, o ne [šeimos] medžio poveikį. Maždaug prieš 10 metų mes sužinojome, kad ši teorija taikoma genetiniam kodui, taisyklėms, kurios nurodo ląstelei, kurias aminorūgštis naudoti baltymams gaminti. Kiekvienas planetos organizmas turi tą patį genetinį kodą su minimaliais skirtumais.
Septintajame dešimtmetyje Karlas pirmasis sugalvojo, kad turimas genetinis kodas yra kuo geresnis, kad klaidų būtų kuo mažiau. Net jei gavote neteisingą aminorūgštį dėl ląstelių transportavimo mutacijos ar klaidos, genetinis kodas tiksliai nustatys aminorūgštį, kurią turėtumėte gauti. Taigi, jūs vis dar turite galimybę, kad jūsų gaminami baltymai funkcionuos ir jūsų kūnas nemiršta.
Davidas Haigas (Harvardas) ir Lawrence'as Hirstas (Batho universitetas) pirmieji pademonstravo, kad šią idėją galima kokybiškai įvertinti naudojant Monte Carlo metodą: jie bandė išsiaiškinti, kurio genetinis kodas yra atspariausias tokio tipo klaidoms. Ir mes patys tapome atsakymu. Tai išties stulbinantis atradimas, tačiau ne toks plačiai paplitęs, kaip turėtų būti.
Vėliau Karlas ir aš kartu su Kalin Vestigian (Viskonsino universitetas Madisone) atliko virtualius organizmų grupių, turinčių daugybę dirbtinių, hipotetinių genetinių kodų, modeliavimą. Mes sukūrėme kompiuterinių virusų modelius, kurie mėgdžiojo gyvas sistemas: jie turėjo genomą, išreiškė baltymus, jie galėjo daugintis patys, išgyventi atranką, o jų adaptacija buvo jų pačių baltymų funkcija.
Mes nustatėme, kad vystėsi ne tik jų genomai. Jų genetiniai metai taip pat vystėsi. Kalbant apie vertikalią evoliuciją (tarp kartų), genetinis kodas niekada netampa unikalus ar optimalus. Bet kai kalbame apie „kolektyvinio tinklo“efektą, tada genetinis kodas greitai vystosi į unikalią optimalią būseną, kurią stebime šiandien.
Šie atradimai ir klausimai, kaip gyvybė galėjo taip greitai įgyti šiuos genetinius kodus, rodo, kad horizontalaus geno perdavimo požymius turėtume pamatyti anksčiau nei, pavyzdžiui, paskutiniame visuotiniame protėvyje. Ir mes juos matome: kai kurie fermentai, susieti su pagrindiniu ląstelių transliacijos ir genų ekspresijos mechanizmu, rodo tvirtus ankstyvo horizontalaus genų perdavimo įrodymus.
Kaip galėtum remtis šiomis išvadomis?
- Tommaso Biancalani ir aš (dabar MIT) maždaug prieš metus atlikome tyrimą - apie jį buvo paskelbtas mūsų straipsnis - kad gyvenimas automatiškai išjungia horizontalų genų perdavimą, kai tik jis tampa pakankamai sudėtingas. Kai mes modeliuojame šį procesą, jis iš esmės išsijungia pats. Bandoma atlikti horizontalų genų perdavimą, tačiau beveik niekas neįsišaknija. Tuomet vienintelis vyraujantis evoliucijos mechanizmas yra vertikali evoliucija, kuri visada egzistavo. Dabar bandome atlikti eksperimentus, norėdami išsiaiškinti, ar branduolys visiškai perėjo nuo horizontalios prie vertikalios perdavimo.
Ar dėl šio požiūrio į ankstyvą evoliuciją jūs sakėte, kad apie biologiją turėtume kalbėti kitaip?
Žmonės linkę galvoti apie evoliuciją kaip apie gyventojų genetikos sinonimą. Manau, kad tai iš principo yra teisinga. Bet tikrai ne. Evoliucija vyko dar prieš egzistuojant genams, ir to negalima paaiškinti statistiniais populiacijos genetikos modeliais. Yra kolektyviniai evoliucijos būdai, į kuriuos taip pat reikia žiūrėti rimtai (pavyzdžiui, tokie procesai kaip horizontalus genų perdavimas).
Šia prasme evoliucijos, kaip proceso, supratimas yra per siauras. Turime galvoti apie dinamiškas sistemas ir tai, kaip įmanoma, kad sistemos, kurias galima kurti ir atkurti, iš viso egzistuoja. Kai galvoji apie fizinį pasaulį, nėra akivaizdu, kodėl tu tiesiog nedarai daugiau mirusių dalykų.
Kodėl planeta gali palaikyti gyvybę? Kodėl gyvenimas net egzistuoja? Evoliucijos dinamika turėtų padėti išspręsti šią problemą. Pastebėtina, kad net neturime idėjos, kaip išspręsti šią problemą. Ir atsižvelgdamas į tai, kad gyvenimas prasidėjo kaip kažkas fiziško, o ne biologinio, jis išreiškia fizinį susidomėjimą.
Kaip jūsų darbas su melsvadumbliais tinka pritaikant kondensuotosios medžiagos teoriją?
- Mano abiturientas Hong-Yang Shi ir aš modeliavo organizmo, vadinamo Prochlorococcus, ekosistemą, cianobakteriją, kuri gyvena vandenyne ir naudoja fotosintezę. Manau, kad šis organizmas gali būti gausiausias ląstelių organizmas planetoje.
Yra virusų, „fagų“, kurie grobia bakterijas. Prieš dešimtmetį mokslininkai atrado, kad šie fagai taip pat turi genus fotosintezei. Paprastai negalvojate apie virusą kaip apie žmogų, kuriam reikalinga fotosintezė. Tada kodėl jie neša šiuos genus?
„Atrodo, kad bakterijos ir fagai elgiasi ne taip, kaip grobuonys. Bakterijos naudingos fagoms. Tiesą sakant, bakterijos galėjo užkirsti kelią fagams pulti juos įvairiais būdais, tačiau jie bent jau ne visiškai. Fagų fotosintezės genai iš pradžių kilo iš bakterijų - ir, stebėtina, fagai vėliau juos pernešė atgal į bakterijas. Per pastaruosius 150 milijonų metų fotosintetiniai genai kelis kartus persikėlė tarp bakterijų ir fagų.
Pasirodo, genai virusuose vystosi daug greičiau nei bakterijose, nes virusų replikacijos procesas yra daug trumpesnis ir labiau tikėtina, kad daroma klaidų (replikacija yra dezoksiribonukleorūgšties dukterinės molekulės sintezės procesas pirminės DNR molekulės šablone - ne daugiau).
Kaip šalutinis fagų medžioklės poveikis bakterijoms, bakterijų genai kartais perkeliami į virusus, kur jie gali plisti, greitai vystytis ir vėl grįžti prie bakterijų, kurioms tada gali būti naudinga. Todėl fagai buvo naudingi bakterijoms. Pavyzdžiui, yra dvi Prochlorococcus padermės, kurios gyvena skirtinguose gyliuose. Vienas iš šių ekotipų yra pritaikytas gyventi arčiau paviršiaus, kur šviesa yra daug stipresnė, o jo dažnis skiriasi. Tokį prisitaikymą gali lemti tai, kad virusai greitai vystėsi.
Virusams naudingi ir genai. Kai virusas užkrečia šeimininką ir pats dauginasi, jo sukurtų naujų virusų skaičius priklauso nuo to, kiek laiko užfiksuota ląstelė gali išgyventi. Jei virusas neša gyvybės palaikymo sistemą (genus fotosintezei), jis gali ilgiau išlaikyti ląstelę, kad būtų galima padaryti daugiau viruso kopijų.
Virusas, kuris neša fotosintezės genus, turi konkurencinį pranašumą prieš tą, kuris neturi. Yra virusų veisimo spaudimas perduoti genus, kurie naudingi šeimininkui. Galite tikėtis, kad dėl virusų mutavimo taip greitai jų genai greitai „suyra“. Bet atlikę skaičiavimus nustatėme, kad bakterijos filtruoja „gerus“genus ir perduoda juos virusams.
Todėl tai yra miela istorija: šių bakterijų ir virusų sąveika primena medžiagos elgesį sutirštėjusioje būsenoje - šią sistemą galima sumodeliuoti numatant jos savybes.
Kalbėjome apie fizinį požiūrį į biologiją. Ar matėte priešingai, kai biologija įkvėpė fiziką?
- Taip. Aš dirbu dėl neramumų. Kai grįžtu namo, būtent ji mane naktimis prabunda. Praėjusiais metais žurnale „Nature Physics“paskelbtame straipsnyje „Hong-Yan Shin“, Tsung-Lin Sheng ir aš norėjau išsamiai paaiškinti, kaip vamzdyje esantis skystis eina iš plastinės būsenos, kur jis sklandžiai ir nuspėjamai teka, į turbulencijos būseną, kur jo elgesys yra nenuspėjamas. ir neteisinga.
Mes nustatėme, kad prieš pereinant, turbulencija elgiasi kaip ekosistema. Yra specialus dinamiškas skysčio tekėjimo režimas, panašus į plėšrūną: jis bando „suvalgyti“turbulenciją, o šio režimo ir dėl to atsirandančios turbulencijos sąveika sukelia kai kuriuos reiškinius, kuriuos matote, kai skystis tampa neramus.
Galiausiai mūsų darbe daroma prielaida, kad skysčiuose vyksta tam tikro tipo fazių perėjimas ir tai patvirtina eksperimentai. Kadangi fizikos problema pasirodė tinkama spręsti šią biologinę problemą - apie plėšrūno ir grobio santykį - Hong-Yanas ir aš žinojau, kaip mėgdžioti ir imituoti sistemą bei atkurti tai, ką žmonės mato eksperimentuose. Biologijos pažinimas tikrai padėjo mums suprasti fiziką.
Ar yra kokių nors fizinio požiūrio į biologiją apribojimų?
- Yra pavojus pakartoti tik tai, kas žinoma, todėl negalite daryti jokių naujų prognozių. Bet kartais jūsų abstrakcija ar minimalus atstovavimas tampa paprastesnis ir jūs kažką prarandate proceso metu.
Negalite per daug galvoti ir teoriškai. Turėtumėte susikibti rankovėmis studijuoti biologiją, būti glaudžiai susieti su tikrais eksperimentiniais reiškiniais ir tikrais duomenimis.
Štai kodėl mūsų darbas atliekamas kartu su eksperimentatoriais: aš kartu su kolegomis rinko mikrobus iš Jeloustouno nacionalinio parko karštųjų versmių, realiu laiku stebėjau gyvų ląstelių „šokinėjančius“genus, seką (seka - aminorūgščių ar nukleotidų sekos nustatymas - apytiksliai nauja) virškinimo trakte. - stuburinių gyvūnų žarnyno mikrobiomas. Kiekvieną dieną dirbu Genominės biologijos institute, nors fizika yra mano „gimtoji“sritis.
Jordana Cepelewicz
Vertimas buvo atliktas projekto Naujas